應用自制教具培養學生核心素養的生物學實驗設計
——以“葉綠體色素的提取和分離”實驗的拓展為例

伍曉龍

（廣州大學附屬中學南沙實驗學校，廣東 廣州 510000）

0 引言

“綠葉中色素的提取和分離”是高一學生必做的分組實驗。該部分教學目標為“簡述葉綠體中色素的種類和功能”。傳統的實驗設計中，學生根據紙層析法得到的結果可以很好實現“色素的種類”這一教學目標，但對于“色素的功能”，即不同色素的吸收光譜并沒有設計相關的實驗進行探究。筆者通過研究和嘗試，自制光合色素吸收光譜測定儀，改選韭菜和韭黃為實驗材料，設計了延伸實驗，分別得到韭菜色素（葉綠素和類胡蘿卜素混合物）、韭黃色素（類胡蘿卜素）的色素濾液后，讓學生借助光合色素吸收光譜測定儀進一步探究不同色素的吸收光譜，更好地還原了科學探究的過程，突破本節教學重點的、提高學生的科學探究核心素養水平。

1 光合色素吸收光譜測定儀的制作

1.1 工作原理

平行光穿過光柵得到散射光光譜，把含不同的色素的溶液置于光源和光柵之間，得到光譜中變暗部分為對應色素吸收光波（定性判斷），且可借助手機端軟件Mspec軟件分析吸收光譜的波長頻段（定量測定）。

1.2 制作材料

硬卡紙、光柵（600線）、比色杯、LED手電筒。

1.3 制作方法

（1）取硬卡紙，按圖1所示裁剪成相應形狀。

圖1

（2）黑色部分為鏤空，其中正方形鏤空后貼上光柵；長方形鏤空后放置兩個比色杯。沿著虛線折疊并將實線處粘合。分別得到手機支架、光譜儀主體、光源盒如圖2所示。

圖2

（3）光源盒內添加LED手電筒。

（4）將手機支架、光譜儀主體、光源盒按順序組裝，并放上手機，總體效果如圖2（P188）所示。

1.4 使用步驟

（1）色素加入比色杯內。

（2）打開光源開關。

（3）手機拍照記錄色素吸收光譜，肉眼比較，亦可將照片導入軟件，測定其色素吸收波長（見圖3）。

圖3

2 實驗教學過程

（1）色素的提取：直接選取韭菜、韭黃提取色素，分別獲得韭菜色素（葉綠素+類胡蘿卜素）、韭黃色素（類胡蘿卜素）。

（2）色素的濃縮：室溫下，避光敞口放置，隨無水乙醇的揮發，可進一步濃縮獲得濃度較高的色素。

（3）測定吸收光譜：光譜測定儀分別測定對照組：無水乙醇、實驗組1（韭菜）含葉綠素+類胡蘿卜素、實驗組2（韭黃）類胡蘿卜素共三組的吸收光譜，肉眼觀察并拍照記錄，亦可導入Mspec軟件分析波長。

（4）實驗結果分析：從吸收光譜中可知，韭菜色素，即葉綠素+類胡蘿卜素吸收的總光譜為紅光和藍紫光；韭黃色素即類胡蘿卜素吸收光譜為藍紫光，由此推測紅光部分可能是由葉綠素吸收。

圖4

（5）結合教材，得出結論：閱讀教材，進一步得出結論：葉綠素同時吸收紅光和藍紫光，類胡蘿卜素吸收藍紫光。

3 實驗教學評價與反思

本次實驗教學設計中自制的色素吸收光譜測定儀器的應用，為學生的進一步探究色素的功能提供了可能。較好地落實了科學探究。

3.1 亮點

（1）創新設計，服務教學重點：為教材實驗的補充，以延伸實驗的方式較好地突破了“色素的種類和功能”這一教學重點。

（2）簡易教具，易操作、可推廣：教具制作簡單，材料易得，成本低廉（每個教具成本約35元），結構較穩定，操作簡單。

（3）兼顧定性判斷和定量測定：對觀察結果的分析包括定性判斷（肉眼觀察色素帶變暗）、定量測定（Mspec軟件可觀測吸收光波的變化）。較好地突出了生物學嚴謹的科學屬性。

（4）實驗材料的改進：把菠菜改為韭菜和韭黃。

（5）反證法思想的滲透：在實驗結果分析中滲透了反證法思想，類似肺炎雙球菌體外轉化實驗中DNA+DNA酶的實驗設計。

3.2 反思與改進

針對實驗用時可能過長的情況，筆者認為目前可以有兩方面的改進方法：

（1）實驗課調至下午放學最后一節，未完成的小組可放學后留下繼續實驗。

（2）對于基礎薄弱的班級，可選少部分能力強的學生錄制實驗過程，延伸實驗部分在課堂上以視頻演示實驗代替學生實驗。